有源RFID标签省电机制的研究

一般来说，完整的射频识别（RFID）系统主要由射频标签、射频读写设备及天线和后台计算机系统组成。根据射频标签内部是否有电池供电，可将射频标签分为有源射频标签和无源射频标签。

    无源射频标签内部没有电池供电，依靠读写器发来的电磁波来工作，因此传输距离较
近、抗干扰能力较差、存储空间小、功能单一，但是无源射频标签不需要维护，使用简便；有源射频标签内部有电池供电，能够依靠自身的能量发射信号，因此传输距离较远、抗干扰能力较强、存储空间较大，还可以与传感器结合起来，组成功能复杂的传感器射频标签。但是随着标签内部电池电量的消耗，需要定期地更换电池或者充电，这给有源射频标签的使用带来了新的课题，即如何延长有源射频标签内部电池的单次放电寿命。

    传统的有源标签低功耗设计

    传统的有源射频标签主要由3部分构成，分别是甚高频射频电路、单片机系统和电池。单片机系统工作时的电流一般为微安级，甚高频射频电路工作时的电流一般为毫安级。为了降低有源射频标签的平均功耗，有源射频标签中的甚高频电路并不一直工作，而是间隔的。如图２所示。

    一段时间自动“苏醒”，然后监听是否有数据包接收到。如果没有接收到数据包，则进入省电的“睡眠”状态；如果接收到数据包，则进入数据包处理环节，相应接收到的数据包，提取出命令，发送响应的命令回应数据包，当数据包处理结束后进入省电的“睡眠”状态。睡眠状态的标签再间隔一段时间又自动“苏醒”，重复上面的工作，如此周而复始的循环，达到节省电能的目的。

    采用这种省电机制的有源射频标签，电路设计简单，程序稳定，但应用不太灵活。我们把有源射频标签从一次“苏醒”的结束到下次“苏醒”开始的时间间隔叫做“睡眠周期”，将一次“睡眠”的结束到下次“睡眠”开始的时间间隔叫做“苏醒周期”。因此，可以看做这种有源射频标签的状态是处于“睡眠周期”和“苏醒周期”周而复始的循环。“睡眠周期”和“苏醒周期”的长度是标签出厂时，单片机中程序设定好的。

    如果睡眠深度过小，射频标签将频繁地“苏醒”，而大多数的“苏醒”周期并没有接收到数据包，这些“苏醒”过程中使用的能量做了无用功，标签功耗将增大，不利于标签的长寿命设计；如果睡眠深度过大，标签的响应时间以及多标签识别能力将大大折扣，标签不能应用在需要快速响应的场合，例如车辆标签快速经过读写器的场合。因此，传统有源射频标签省电机制设计的关键是，在特定应用场合中应该寻找到一个适当的睡眠深度。

    双频有源标签设计

    如何使有源射频标签在标签使用频度高的时候自动降低睡眠深度，而在使用频度低的时候自动提高睡眠深度，以达到电能消耗绝无浪费呢？为了使射频标签的睡眠深度能够根据使用频度的变化而自动变化，当不需要苏醒时绝不苏醒，当需要苏醒时快速苏醒，需要在传统的有源射频标签的硬件电路上作以改动，加上低频激励电路。与此同时，在双频有源射频识别系统中，引入了另一个射频读写设备—激励器，如图３。

 １、双频有源标签的硬件设计

    双频有源射频标签内部由甚高频射频电路、低频激励电路、单片机系统以及电池组成，与传统的有源射频标签相比，增加了低频激励电路，带来的好处是有源射频标签可以“深度睡眠”，不用频繁的“苏醒”，白白消耗电能。平时没有外界操作时，射频标签处于“休眠状态”，甚高频射频电路全部关闭，基本上不消耗电能；低频激励电路处于接收状态，无线链路以“变压器”模型来工作，仅需要少量能量消耗；单片机处于低功耗工作状态，仅接收来自低频电路的中断信号。

    当低频激励电路接收到来自激励器的激励信号时，甚高频电路进入工作状态，等待读写器对它的操作，超时后回到“休眠状态”。这样，射频标签在没有激励器的场合，不会苏醒，白白浪费电能。

    当低频记录电路没有接收到激励信号，甚高频电路不会进入工作状态，不会对来自外界的读写器信号进行响应，这种标签具有比较复杂的使用机制。

    ２、双频有源射频标签的状态转移设计

    为了更加清楚地描述双频有源射频标签的工作过程，在有源标签状态图中，有源标签具有两种省电状态，分别是“休眠”和“侦听”；具有两种工作状态，分别是“待命”和“收发”。

    标签所处的省电常态为“休眠”或“侦听”，“休眠”状态须通过激励器激励后进入待命状态，再接受读写器的读写器命令。工作于“侦听”状态下的有源标签，类似于传统意义上的有源标签，甚高频射频电路周期性的“苏醒”，监听读写器的读写指令。标签的省电常态可以根据需要由读写器通过标签状态转移指令进行设置。

    ３、双频有源射频标签的使用模式

    双频有源射频标签有两种不同的使用模式，一是“侦听”模式。当单片机系统控制低频激励电路关闭时，双频有源射频标签就变成了传统的有源射频标签，不需要激励器配合，可直接工作，这种使用模式与传统的有源射频标签类似。另外一种工作模式是“休眠”模式，这种工作模式需要激励器来配合完成，不仅具有传统的标签识读功能，还具有激励器定位功能。下面以高速公路收费系统为例，描述双频有源射频标签的使用模式。

    如图所示，共有6条高速公路收费车道，每个收费口布置一台激励器，6条车道共用一台读写器。当带有射频标签的C06号汽车经过车道2收费口时，车上的射频标签被车道2上的激励器所激活，主动发送数据包联络附近的读写器，进行一次数据交互，完成交费过程。这时，读写器通过标签发来的数据包以及射频标签与车辆的绑定关系，不仅能知道哪辆车经过了收费口，还能通过发来的激励器ID号知道经过了哪个车道，具有车道定位功能。

    简约功能低功耗设计

    为了降低有源射频标签的功耗，需要精确地知道射频标签什么时候应该“苏醒”，什么时候不应该“苏醒”，为了精确地把握这个苏醒的时机，就需要增加额外的硬件电路和复杂算法，从而额外的增加了电能开销。

    于是，有人逆着这条思路，将有源射频标签的功能简约化，将甚高频射频电路芯片换为简单的“只发不收”的芯片，将功能较强大的单片机芯片换为功能最简单存储空间最小的单片机，这样就形成了小容量只读有源射频标签。这种有源射频标签功能非常简单，单片机只是一个简单的定时电路，每间隔几百毫秒控制射频芯片向外发送一次自身的ID数据包，没有复杂的状态转换逻辑，不监听外部的读写信号，平均功耗也可以得到控制。

    芯片选择及电路设计

    在电路设计中，如果芯片的工作电压与电池的放电电压不一致，就需要电压转换电路来进行匹配。但是电压在转换的过程中都要损失一部分电能，为了省电，宜选择标称电压与电池的标称电压一致的芯片，这样可以省掉电压转换电路自身的电能消耗。

    在单片机的选择上，随着越来越多的芯片厂家推出了超低功耗的产品，单片机的选择度也越来越大。例如Microchip公司的PIC系统，Texas Instruments公司的MSP430系统以及台湾一些厂家的产品。

    电路设计中，尽量设计可由单片机控制的关断电路，当部分电路不需要工作时，可停止对其供电，消除待机电能消耗。

    在有些条件允许的情况下，可以考虑给安装在露天的有源射频标签加装太阳能电池板，以及时给有源射频标签补充能量。

    软件设计

    有源射频标签中，电能和存储空间都很有限，过度的信息压缩算法，需要处理器执行更多的压缩解压指令，而不进行压缩又会增加标签和读写器空中通信的数据量。因此，在软件的设计上，尽量减少空中通信次数，尽量协议编码技术，减少通信信息流量，这些都没有绝对的，需要取实验折中优选方案。

    随着物联网及射频识别技术在我国的兴起，有源射频标签的应用领域将越来越宽，不可避免地要解决有源射频标签的功能和功耗之间的矛盾问题。有源射频标签的省电机制渗透到标签的器件选择、电池选择、工作模式设计、电路设计、软件设计以及生产工艺等诸多方面。设计有源标签时，需要根据实际的应用模式，设计出最适合的方案。在有源射频标签省电机制的设计上，大都是功能与功耗的矛盾，只有最适合的方案，没有最优的方案，这就需要设计者在充分分析应用需求的前提下，给出一种最优选的方案。